±800 k V特高壓錦蘇直流輸電線路融冰技術

施紅軍，山水鴻

（上海送變電工程公司，上海 200235）

0 引言

錦屏—蘇南±800 k V特高壓直流輸電工程，是華東電網“十一五”西電東送的主要通道，雙極額定功率為7.2 GW。線路長2 095 km，跨越區域大、路徑復雜、地形地貌多變，一旦在重冰區線路敷冰嚴重（參見圖1），將對特高壓直流輸電線路安全運行造成威脅。

圖1 冰雪覆蓋的鐵塔和線路

若采用常規停電除冰方式，如機械除冰法、自然除冰法等，一方面線路全停對系統沖擊較大，另一方面冰災大多發生于冬季，正是電力需求旺盛時期，停電除冰勢必用時較長，給社會生活帶來不便。若采用外加直流電源對覆冰線路進行融冰，由于覆冰段線路大多發生在山區等氣候變化較大的區域，外加電源運輸難度較大，而且可實施性與操作性較差。為此，一種方便可靠、操作性強的特高壓換流站直流線路融冰技術提上議事日程。

1 特高壓直流輸電融冰方案比較

1.1 正常運行方式融冰

特高壓直流輸電線路的融冰，可采用雙極平衡大電流運行或者單極金屬回線大電流運行方案進行。直流輸電正常運行方式融冰示意圖，如圖2所示。

采用直流輸電正常運行方式融冰的優點是系統主接線不需要做任何改動；控制保護的軟件不需要改動；調度和運行人員對整個操作過程非常熟悉。缺點是冬季結冰時送端常處于枯水時段，較小的輸送功率有可能使線路電流起不到融冰效果。

圖2 直流輸電正常運行方式融冰示意

1.2 更改主接線后的融冰方案

特高壓換流站直流側融冰接線方式，采用通過開合相關隔離開關和設置融冰回路的方法將換流站兩個低端閥廳退出運行，將兩個高端閥廳并聯運行。將構成雙極的兩組換流器通過相應的刀閘、引線改造成相并聯的換流系統（參見圖3）。其特點是在輸送相同功率時，可以提高直流線路融冰電流1倍，但要更改主接線，增加絕緣支柱、管母等輔助設備。由于額外增加的設備投資不大，而且技術上可行，所以作為本工程融冰方案。

圖3 融冰運行方式系統示意

2 特高壓相并聯直流輸電融冰原理

2.1 臨界電流I c

直流融冰技術的原理就是將覆冰線路作為負載，施加直流電加熱導線使覆冰融化。使用大電流融冰時，為確保不使導線過熱損壞線路，需要對融冰電流的大小和融冰時間進行計算。導線不覆冰時流過的最小電流稱為防止導線覆冰的臨界電流Ic，計算式［1］為：

式中：D為導線直徑；ρ為導線電阻率；ts為導線表面溫度；h為對流換熱系數；σ為Stefan-Boltcomann常數；ε為導線黑度，新導線取值為0.23～0.43，舊導線取值為0.9；E為導線對空氣中過冷卻水滴的捕獲系數；V為濕空氣或過冷卻水滴的移動均勻速度；W 為濕空氣或過冷卻水滴的含濕量；t為濕空氣或過冷卻水滴的溫度；Cw為水的比定壓熱容；WE為導線表面蒸發的液體份額；Lv為水的汽化潛熱。

式（1）表明，IC與氣溫、對流換熱系數、風速、含濕量以及導線本身的特性（直徑、電阻率、黑度）有關。通過合理選擇這些參數就可確定臨界電流。

2.2 融冰時間T

融冰所需時間的計算式［2］為：

式中：Ci為冰的比熱；Ta為氣溫；ρi為冰的密度；R0為覆冰后導線平均半徑；Ri為不覆冰時導線半徑；I為融冰電流；Re為單位長導線在0℃時的電阻。

2.3 直流融冰的主要因素

1）直流融冰的熱平衡包含兩個過程：一是導線—冰交界面的熱平衡；二是冰—空氣交界面的熱平衡。達到穩定狀態后，導線產生的焦耳熱與融冰吸收的熱及冰表面因輻射散熱和對流傳熱損失的熱相等。

2）當環境溫度低于0℃時，存在臨界融冰電流，當電流小于臨界電流時，不會發生融冰現象。

3）環境溫度對臨界融冰電流和融冰時間有顯著影響。環境溫度越低，臨界融冰電流越大；融冰電流相同時，融冰需要的時間越長。

4）風速對臨界融冰電流和融冰時間也有明顯的影響。風速越大，臨界融冰電流越大；融冰電流相同時，融冰所需要的時間也越長。

3 錦蘇工程直流輸電融冰接線方案

3.1 融冰回路斷口設置

需要在直流場接線中提前預留融冰的各個斷口，斷口位置如圖4所示。

當系統處于NOM運行模式時，所有的NOM斷口導線被安裝上，所有DOM斷口導線被拆除；當系統處于DOM運行模式時，所有的DOM斷口導線被安裝上，所有NOM斷口導線被拆除。合計工期1天。

圖4 融冰回路斷口設置示意圖

3.2 特高壓換流站正常運行方式

換流站采用雙極運行方式，每極的2個12脈動閥組采用串聯運行方式；極線隔離開關Q11閉合，旁路回路中Q12、Q13、Q14、Q15開關閉合；中性線回路中Q3和Q18閉合；旁路回路中旁路斷路器Q1、Q2和旁路開關Q16、Q17斷開，如圖5所示。

圖5 雙極運行接線示意

3.3 特高壓換流站融冰運行方案

在特高壓輸電線路需要融冰時，可以通過調整直流場中隔離開關的開或合狀態，將兩極的低端閥廳退出運行，將兩極的高端閥廳并聯運行；要達到上述運行方式需調整如下隔離開關開合狀態：將極1和極2低端閥組的旁路斷路器Q2閉合，將低端旁路開關Q17閉合，Q15打開，將雙極的低端閥廳閉鎖；將Q18、Q19、Q21和Q23打開，Q20、Q22及金屬回線Q24閉合。此時兩個高端閥組通過閉合的Q11、Q12、Q17、Q3等開關降壓為400 k V并聯運行，整個直流系統采用400 k V雙極高端閥組并聯金屬回路運行，線路上的電流為雙極原來額定電流的2倍達9 k A。

特高壓輸電線融冰時，直流系統電流的流向如圖6所示。

圖6 融冰回路電流流向示意

當覆冰直流線路的融冰要求滿足時，通過反向操作上述開關的操作順序，可將直流系統恢復為正常雙極運行方式。

對送端換流站，采用上述同樣的操作順序，可實現直流系統由正常運行狀態轉為融冰運行狀態以及反向轉換的工作流程。在直流控制保護系統中增加融冰運行方式的控制功 能即可實現對上述的控制操作［3］。

4 結語

特高壓換流站直流側融冰接線方式是通過設置專用融冰回路及在需要融冰時調整相關隔離開關的開合狀態等，將換流站2個低端閥廳退出運行，將2個高端閥廳并聯運行，使直流線路的電壓降至400 k V運行，通過的電流增加為原來的2倍，使導體發熱，阻止導線敷冰。要為各個斷口提前準備好便于連接的軟導線，采用軟銅線或載流量較大的鋁絞線，盡量減輕導線重量和根數。在融冰回路運行前，要將不需連接的斷口導線拆開，連接上需要連通的斷口，形成融冰接線。

本融冰方案在錦蘇工程中應用的優點是投資少、操作簡便（8個點的拆裝需2個工作小組5 h完成）、安全可靠、融冰過程中仍可輸送一半額定功率，不會對系統造成沖擊；缺點是整個拆裝過程需要停電，影響負荷的輸送。

［1］ 吳端華.輸電線路直流融冰的臨界電流和融冰時間分析［J］.電力系統及其自動化學報，2010（5）：90-95.

［2］ 姚致清.直流融冰技術的研究及應用［J］.電力系統保護與控制，2010（21）：66-71.

［3］ 李學鵬.直流側融冰研究［Z］.西北設計院，2011.